怎么成為一個傳感器設(shè)計高手？從傳感器正確選型與使用下手

　　傳感器(英文名稱：transducer/sensor)是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。

　　傳感器的特點包括：微型化、數(shù)字化、智能化、多功能化、系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化。它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。傳感器的存在和發(fā)展，讓物體有了觸覺、味覺和嗅覺等感官，讓物體慢慢變得活了起來。通常根據(jù)其基本感知功能分為熱敏元件、光敏元件、氣敏元件、力敏元件、磁敏元件、濕敏元件、聲敏元件、放射線敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大類。

　　本文主要從傳感器正確選型與使用技巧講解傳感器的作用。

　　首先技術(shù)指標是表征一個產(chǎn)品性能優(yōu)劣的客觀依據(jù)。看懂技術(shù)指標，有助于正確選型和使用該產(chǎn)品。

　　傳感器的技術(shù)指標分為靜態(tài)指標和動態(tài)指標兩類：靜態(tài)指標主要考核被測靜止不變條件下傳感器的性能，具體包括分辨力、重復(fù)性、靈敏度、線性度、回程誤差、閾值、蠕變、穩(wěn)定性等;動態(tài)指標主要考察被測量在快速變化條件下傳感器的性能，主要包括頻率響應(yīng)和階躍響應(yīng)等。

　　由于傳感器的技術(shù)指標眾多，各種資料文獻敘述角度不同，使得不同人有不同的理解，甚至產(chǎn)生誤解和歧義。

　　為此，以下針對傳感器的幾個主要技術(shù)指標進行解讀：

　　1、分辨力與分辨率：

　　定義：分辨力(ResoluTIon)是指傳感器能夠檢測出的被測量的最小變化量。分辨率(ResoluTIon) 是指分辨力與滿量程值之比。

　　解讀1：分辨力是傳感器的最基本的指標，它表征了傳感器對被測量的分辨能力。傳感器的其他技術(shù)指標都是以分辨力作為最小單位來描述的。

　　對于具有數(shù)顯功能的傳感器以及儀器儀表，分辨力決定了測量結(jié)果顯示的最小位數(shù)。例如：電子數(shù)顯卡尺的分辨力是0.01mm，其示指誤差為±0.02mm。

　　解讀2：分辨力是一個具有單位的絕對數(shù)值。例如，某溫度傳感器的分辨力為0.1℃，某加速度傳感器的分辨力是0.1g等。

　　解讀3：分辨率是與分辨力相關(guān)而且極為相似的概念，都表征了傳感器對被測量的分辨能力。

　　二者主要區(qū)別在于：分辨率是以百分數(shù)的形式表示傳感器的分辨能力，它是相對數(shù)，沒有量綱。例如上述溫度傳感器的分辨力為0.1℃，滿量程為500℃，則其分辨率為0.1/500=0.02%。

　　2、重復(fù)性：

　　定義：傳感器的重復(fù)性(Repeatability)是指在同一條件下、對同一被測量、沿著同一方向進行多次重復(fù)測量時，測量結(jié)果之間的差異程度。也稱重復(fù)誤差、再現(xiàn)誤差等。

　　解讀1：傳感器的重復(fù)性必須是在相同的條件下得到的多次測量結(jié)果之間的差異程度。如果測量條件發(fā)生變化，測量結(jié)果之間的可比性消失，不能作為考核重復(fù)性的依據(jù)。

　　解讀2：傳感器的重復(fù)性表征了傳感器測量結(jié)果的分散性和隨機性。而產(chǎn)生這種分散性和隨機性的原因，是因為傳感器內(nèi)部和外部不可避免地存在各種各樣的隨機干擾，導(dǎo)致傳感器的最終測量結(jié)果表現(xiàn)為隨機變量的特性。

　　解讀3：重復(fù)性的定量表述方法，可以采用隨機變量的標準差。

　　解讀4：對于多次重復(fù)測量情形而言，如果以全部測量結(jié)果的平均值作為最終測量結(jié)果，則可以得到更高的測量精度。因為平均值的標準差顯著小于每個測量結(jié)果的標準差。

　　3、線性度：

　　定義：線性度(Linearity)是指傳感器輸入輸出曲線與理想直線的偏離程度。

　　解讀1：理想的傳感器輸入輸出關(guān)系應(yīng)該是線性，其輸入輸出曲線應(yīng)該是一條直線(如下圖中的紅色直線)。

　　但是，實際上的傳感器或多或少都存在各種各樣的誤差，導(dǎo)致實際的輸入輸出曲線并非是理想的直線，而是一條曲線(如下圖中綠色曲線)。

　　線性度就是表征了傳感器實際特性曲線與離線直線之間的差異程度，也稱非線性度或非線性誤差。

　　解讀2：由于在不同大小的被測量情況下傳感器實際特性曲線與理想直線之間的差異是不同的，因此常常以全量程范圍內(nèi)二者差異的最大值與滿量程值之比。顯然，線性度也是一個相對量。

　　解讀3：由于對于一般測量場合而言，傳感器的理想直線是未知的，無從獲取。為此，常常采用折中的辦法，即直接利用傳感器的測量結(jié)果計算出與理想直線較為接近的擬合直線。具體計算方法包括端點連線法、最佳直線法、最小二乘法等。

　　4、穩(wěn)定性：

　　定義：穩(wěn)定性(Stability)是指傳感器在一段時間內(nèi)保持其性能的能力。

　　解讀1：穩(wěn)定性是考察傳感器在一定時間范圍內(nèi)是否穩(wěn)定工作的主要指標。而導(dǎo)致傳感器不穩(wěn)定的因素，主要包括溫度漂移和內(nèi)部應(yīng)力釋放等因素。因此，增加溫度補償、增加時效處理等措施，對提高穩(wěn)定性是有幫助的。